Текст 5 Semiconductors. Национальный исследовательский ядерный университет мифи (сфти нияу мифи)
 Скачать 45.5 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Снежинский физико-технический институт - филиал федерального государственного автономно образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (СФТИ НИЯУ МИФИ) Кафедра философии и лингвистики Домашний перевод по дисциплине "Иностранный язык" Тема: Semiconductors Выполнил: студент группы ПТМ-25 Ключников В.А. Проверил: старший преподаватель Сергодеев И.В. г. Снежинск 2016 Semiconductors A semiconductor is a solid whose electrical conductivity is in between that of a conductor and that of an insulator, and can be controlled over a wide range, either permanently or dynamically. Semiconductors are tremendously important in technology. Semiconductor devices, electronic components made of semiconductor materials, are essential in modern electrical devices. Examples range from computers to cellular phones to digital audio players. Silicon is used to create most semiconductors commercially, but dozens of other materials are used as well. Semiconductors are very similar to insulators. The two categories of solids differ primarily in that insulators have larger band gaps — energies that electrons must acquire to be free to move from atom to atom. In semiconductors at room temperature, just as in insulators, very few electrons gain enough thermal energy to leap the band gap from the valence band to the conduction band, which is necessary for electrons to be available for electric current conduction. For this reason, pure semiconductors and insulators in the absence of applied electric fields, have roughly similar resistance. The smaller bandgaps of semiconductors, however, allow for other means besides temperature to control their electrical properties. The property of semiconductors that makes them most useful for constructing electronic devices is that their conductivity may easily be modified by introducing impurities into their crystal lattice. The process of adding controlled impurities to a semiconductor is known as doping. The amount of impurity, or dopant, added to an intrinsic (pure) semiconductor varies its level of conductivity. Doped semiconductors are often referred to as extrinsic. Semiconductors' intrinsic electrical properties are often permanently modified by introducing impurities. Usually, it is sufficient to approximate that each impurity atom adds one electron or one "hole" that may flow freely. Upon the addition of a sufficiently large proportion of impurity dopants, semiconductors will conduct electricity nearly as well as metals. Depending on the kind of impurity, a doped region of semiconductor can have more electrons or holes, and is named N-type or P-type semiconductor material, respectively. Junctions between regions of N- and P-type semiconductors create electric fields, which cause electrons and holes to be available to move away from them, and this effect is critical to semiconductor device operation. Also, a density difference in the amount of impurities produces a small electric field in the region which is used to accelerate non-equilibrium electrons or holes. In addition to permanent modification through doping, the resistance of semiconductors is normally modified dynamically by applying electric fields. The ability to control resistance/conductivity in regions of semiconductor material dynamically through the application of electric fields is the feature that makes semiconductors useful. It has led to the development of a broad range of semiconductor devices, like transistors and diodes. Semiconductor devices that have dynamically controllable conductivity, such as transistors, are the building blocks of integrated circuits devices like the microprocessor. These "active" semiconductor devices (transistors) are combined with passive components implemented from semiconductor material such as capacitors and resistors, to produce complete electronic circuits. In most semiconductors, when electrons lose enough energy to fall from the conduction band to the valence band (the energy levels above and below the band gap), they often emit light, a quantum of energy in the visible electromagnetic spectrum. This photoemission process underlies the light-emitting diode (LED) and the semiconductor laser, both of which are very important commercially. Conversely, semiconductor absorption of light in photodetectors excites electrons to move from the valence band to the higher energy conduction band, thus facilitating detection of light and vary with its intensity. This is useful for fiber optic communications, and providing the basis for energy from solar cells. Semiconductors may be elemental materials such as silicon and germanium, or compound semiconductors such as gallium arsenide and indium phosphide, or alloys such as silicon germanium or aluminium gallium arsenide. Semiconductors with predictable, reliable electronic properties are necessary for mass production. The level of chemical purity needed is extremely high because the presence of impurities even in very small proportions can have large effects on the properties of the material. A high degree of crystalline perfection is also required, since faults in crystal structure (such as dislocations, twins, and stacking faults) interfere with the semiconducting properties of the material. Crystalline faults are a major cause of defective semiconductor devices. The larger the crystal, the more difficult it is to achieve the necessary perfection. Current mass production processes use crystal ingots between four and twelve inches (300 mm) in diameter which are grown as cylinders and sliced into wafers. Because of the required level of chemical purity and the perfection of the crystal structure which are needed to make semiconductor devices, special methods have been developed to produce the initial semiconductor material. A technique for achieving high purity includes growing the crystal using the Czochralski process. An additional step that can be used to further increase purity is known as zone refining. In zone refining, part of a solid crystal is melted. The impurities tend to concentrate in the melted region, while the desired material recrystalizes leaving the solid material more pure and with fewer crystalline faults. Полупроводники Полупроводники – твердые вещества, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и которые могут управляться в широком диапазоне либо постоянно, либо динамически. Полупроводники очень важны в технике. Полупроводниковые приборы, электронные компоненты, изготовленные из полупроводниковых материалов, играют значительную роль в современных электрических устройствах. Примеров применения множество, начиная с компьютеров, сотовых телефонов и заканчивая цифровыми аудиоплеерами. Большинство коммерческих полупроводников сделано из кремния, но помимо его используются еще дюжины материалов. Полупроводники очень похожи на диэлектрики. Эти две категории материалов отличаются в основном тем, что диэлектрики имеют большую ширину запрещенной зоны – энергию, необходимую для свободного перемещения электронов от атома к атому. При комнатной температуре в полупроводниках, как и в диэлектриках, очень малое количество электронов имеет достаточную тепловую энергию для преодоления запрещенной зоны из валентной зоны в зону проводимости, которая важна для электронов, необходимых для протекания электрического тока. По этой причине чистые полупроводники и диэлектрики в отсутствии приложенного электрического поля имеют почти одинаковое сопротивление. Тем не менее меньшие размеры запрещенной зоны полупроводников позволяют другим средствам, кроме температуры контролировать их электрические свойства. Свойство полупроводников, которое делает их наиболее полезным для создания электронных приборов, является то, что их проводимость может быть легко изменена введением примесей в их кристаллическую решетку. Процесс добавления примесей в полупроводник известен как легирование. Количество примеси или легирующего элемента, добавленного к собственному (чистому) полупроводнику меняет уровень его проводимости. Легированные полупроводники часто называются примесными. Часто внутренние электрические свойства полупроводников изменяют путем добавления примесей. Обычно, это достаточно приблизительно, что каждая примесь добавляемая в атом – это один электрон или одна "дырка", которые могут свободно перемещаться. После добавления достаточно большой доли легирующих примесей, полупроводники будут проводить электричество почти также как металлы. В зависимости от вида примеси легированная область полупроводника может содержать больше электронов или дырок; и называются они n- и p- типы полупроводников. Пересечения между областями n- и p- типов полупроводников создают электрические поля, которые вызывают возможность электронов и дырок вылетать из них, этот эффект имеет существенное значение для функционирования полупроводниковых устройств. Также, градиент плотности в примесях создает маленькое электрическое поле в области, которая используется для ускорения неравновесных электронов или дырок. В дополнение к постоянной модификации легированием, сопротивление полупроводников, как правило, изменяется динамически за счет применения электрических полей. Возможность динамического управления сопротивлением/проводимостью в полупроводниковых материалах посредством приложения электрического поля делает полупроводники полезными. Это привело к созданию широкого спектра полупроводниковых устройств, таких как транзисторы и диоды. Полупроводниковые устройства, которые имеют динамически контролируемую проводимость, например транзисторы, являются элементами интегральных схем устройств, таких как микропроцессор. Эти "активные" полупроводниковые устройства (транзисторы) объединяют с пассивными элементами, выполненными из полупроводниковых материалов, такими как конденсаторы и резисторы для получения электронных цепей. В большинстве полупроводников, когда электроны теряют достаточное количество энергии для вылета из зоны проводимости к валентной зоне (энергетические уровни выше и ниже запрещенной зоны), они всегда испускают свет, квант энергии в видимом электромагнитном спектре. Этот фотоэмиссионный процесс лежит в основе светодиода и полупроводникового лазера, которые коммерчески очень важны. Напротив, полупроводниковое поглощение света в фотоприемниках заставляет электроны двигаться из валентной зоны к более высокой зоне проводимости, таким образом, облегчая поглощение света и изменение его интенсивности. Это свойство важно для оптико-волоконной связи, оно создает основы получения энергии от солнечных батарей. Полупроводниками могут быть простые материалы такие как кремний и германий, или составные полупроводники такие как арсенид галлия и фосфид индия, или сплавы такие как кремний-германий или арсенид алюминий-галлия. Полупроводники с предсказуемыми, надежными электронными свойствами необходимы для массового производства. Уровень химической чистоты очень высоким, поскольку присутствие даже малого количества примесей может оказывать воздействие на свойства материала. Высокая степень кристаллического совершенства также необходима, в связи с дефектами в кристаллической структуре, которые вмешиваются в полупроводниковые свойства материала. Кристаллические дефекты являются причиной некачественных полупроводниковых приборов. Чем больше кристалл, тем труднее достигнуть необходимого совершенства. Современные процессы массового производства используют кристаллические слитки диаметром четыре - двенадцать дюймов (300 мм), которые выращиваются в виде цилиндров. В силу необходимого уровня химической чистоты и совершенствова кристаллической структуры производства полупроводниковых приборов, специальные методы были разработаны для производства базовых полупроводниковых материалов. Техника для достижения высокой чистоты включает выращивание кристалла методом Чохральского. Дополнительный шаг, который может быть использован в дальнейшем увеличении чистоты известен как зонная плавка. В зонной плавке, часть твердого кристалла расплавлена. Примеси имеют свойство концентрироваться в расплавленной области, пока желатемый материал рекристаллизуется, делая твердый материал более чистым и с меньшим количеством кристаллических дефектов. |